un sistema innovativo per la misura in tempo reale delle ... - AIIA2011

Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria
Belgirate, 22-24 settembre 2011
memoria n.
UN SISTEMA INNOVATIVO PER LA MISURA IN TEMPO REALE
DELLE VIBRAZIONI TRASMESSE AL SISTEMA MANO-BRACCIO
DA SCUOTITORI PORTATILI PER LA RACCOLTA AGEVOLATA
DELLE OLIVE
P. Catania 1 , M. Vallone 1 , G. Aiello 2 , G. La Scalia 2
(1) Dipartimento dei Sistemi Agro-Ambientali, Università degli Studi di Palermo, Viale delle
Scienze ed.4, 90128 Palermo.
(2) Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica, Università degli
Studi di Palermo, Viale delle Scienze ed.8, 90128 Palermo.
SOMMARIO
La meccanizzazione della raccolta delle olive è un obiettivo di primaria importanza in
olivicoltura sia per ridurre i costi di produzione sia per garantire la qualità dell'olio
prodotto. Il ricorso a scuotitori portatili per la raccolta agevolata delle olive, il cui uso
si è oramai diffuso superando le altre tipologie di macchine agevolatrici, rappresenta
una possibile soluzione al problema. Tuttavia, l’uso di tali attrezzi può essere fonte di
rischio di esposizione alla vibrazione trasmessa al sistema mano-braccio. Scopo di
questo lavoro è di valutare il livello di esposizione alle vibrazioni del sistema manobraccio
degli operatori che impiegano scuotitori portatili per la raccolta agevolata
delle olive (norme di riferimento UNI EN ISO 5349-1:2004, D.Lgs. 81/2008). La
ricerca che si presenta riguarda sia la definizione di componenti hardware del sistema
e le relative attività di sviluppo software, sia l’esecuzione di prove sperimentali nelle
reali condizioni operative. La prove sono state eseguite adoperando scuotitori
comunemente adoperati nella raccolta delle olive allo scopo di raccogliere e
caratterizzare i dati sulle vibrazioni in termini di spettro di frequenza e intensità. Tali
informazioni sono state successivamente adoperate per il monitoraggio in tempo reale
delle vibrazioni e la conseguente valutazione dei rischi per la salute. Le prove
sperimentali hanno dimostrato l'efficacia della ricerca proposta nel valutare i rischi di
esposizione alle vibrazioni dei lavoratori durante le operazioni di raccolta. I risultati
ottenuti mostrano come un hardware semplice e poco costoso possa portare ad una
valutazione abbastanza precisa del profilo di rischio, fornendo così informazioni
significative per la gestione in sicurezza dei turni di lavoro e per il miglioramento della
pianificazione e della gestione delle risorse.
Parole chiave: sicurezza, rischio vibrazioni, sistemi microelettromeccanici.
1 INTRODUZIONE
La meccanizzazione della raccolta delle olive è un obiettivo di primaria importanza
in olivicoltura sia per ridurre i costi di produzione sia per garantire la qualità dell'olio

P. Catania, M. Vallone, G. Aiello, G. La Scalia
prodotto, in quanto, com’è noto, la raccolta manuale non consente di intervenire
tempestivamente ed al momento opportuno e necessita di un periodo di tempo
abbastanza lungo per essere portata a termine.
Il ricorso a scuotitori portatili per la raccolta agevolata delle olive, il cui uso si è
oramai diffuso superando le altre tipologie di macchine agevolatrici, rappresenta una
possibile soluzione al problema. Tuttavia, l’uso di tali attrezzi può essere fonte di
rischio di esposizione alla vibrazione trasmessa al sistema mano-braccio.
Una esposizione prolungata alle vibrazioni è causa potenziale di alcune malattie
muscolo-scheletriche al sistema mano-braccio o patologie specifiche quali la sindrome
del dito bianco, o sindrome di Raynaud (nota anche con la sigla VWF, ovvero
Vibration-Induced White Finger), la sindrome del tunnel carpale (CTS), la sindrome da
vibrazioni mano-braccio (HAVS) (Gerhardsson et al., 2005). A causa del potenziale
rischio derivante dall’uso di tali scuotitori portatili, generalmente essi vengono
progettati con lo scopo di trasmettere il massimo della vibrazione alle branche per
ottimizzare il distacco delle drupe minimizzando la trasmissione della vibrazione
all’operatore ed evitando al contempo danni alla pianta (Horvath and Sitkei, 2001; Gil
et al., 2001).
Esistono leggi e direttive nazionali ed internazionali che stabiliscono i limiti di
esposizione giornaliera per l’operatore alle vibrazioni durante le fasi di lavoro al fine di
salvaguardarne la salute. La normativa di riferimento, UNI EN ISO 5349-1:2004,
fornisce la caratterizzazione della vibrazione trasmessa alla mano ed una guida agli
effetti sulla salute. In Italia, il Decreto Legislativo 81/2008 stabilisce in 5 m/s 2 il limite
di esposizione giornaliera riferito ad un periodo standardizzato di 8 ore.
La ricerca che si presenta riguarda sia la definizione di componenti hardware del
sistema e le relative attività di sviluppo software, sia l’esecuzione di prove sperimentali
nelle reali condizioni operative. La prove sono state eseguite adoperando scuotitori
comunemente adoperati nella raccolta delle olive allo scopo di raccogliere e
caratterizzare i dati sulle vibrazioni in termini di spettro di frequenza e intensità. Tali
informazioni sono state successivamente adoperate per il monitoraggio in tempo reale
delle vibrazioni e la successiva valutazione dei rischi per la salute.
Il sistema proposto è basato sulla tecnologia dei sistemi microelettromeccanici
(MEMS) e prevede la progettazione di una unità compatta indossabile da apporre alla
vita dell’operatore e una stazione fissa per l'archiviazione e l'analisi dei dati misurati.
I sensori MEMS sono una classe di dispositivi costituiti da componenti elettrici e
meccanici molto piccoli su un singolo chip. Gli accelerometri capacitivi MEMS, in
particolare, presentano diversi vantaggi per numerose applicazioni a basso costo,
elevata sensibilità, una buona risposta e le prestazioni di rumore, sensibilità a bassa
temperatura e bassa dissipazione di potenza, come documentato da diversi ricercatori
(Yazdi et al., 1998 e Bernstein et al., 1999). Grazie alla loro versatilità ed alle
dimensioni contenute, i sensori MEMS sono stati efficacemente impiegati per il
monitoraggio delle vibrazioni in motori e apparecchiature meccaniche (Vogl et al.,
2009) e in strutture civili (Lynch et al., 2002). La possibilità di impiegare tali sistemi
nella valutazione del rischio da vibrazioni è, inoltre, un campo di applicazione
recentemente esplorato da alcuni ricercatori (Koenig et al, 2008, Morello et al., 2010).
Il sistema qui proposto prevede la raccolta dei dati di accelerazione per mezzo di un
accelerometro assiale MEMS durante la fase di lavoro dell'operatore. Tali dati vengono
poi trasmessi tramite rete wireless ad una stazione dove vengono memorizzati e

Un sistema innovativo per la misura in tempo reale delle vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio da
scuotitori portatili per la raccolta agevolata delle olive
analizzati.
2 MATERIALI E METODI
Nel presente lavoro è stato preso in esame uno degli scuotitori portatili più diffusi in
Italia per la raccolta agevolata delle olive. Tale macchina è stata analizzata preliminare
con l'obiettivo di caratterizzare le vibrazioni generate, in termini di spettro di frequenza
e intensità. Tali informazioni sono state poi adoperate per la progettazione di un sistema
adeguatamente personalizzato per il monitoraggio in tempo reale delle vibrazioni. Un
dispositivo è stato quindi sviluppato sfruttando la tecnologia wireless e delle comunicazioni,
al fine di consentire una misurazione in campo durante le fasi di lavoro. Infine, test di campo
sono state effettuate per validare il sistema, raccogliere i risultati e trarne le conclusioni.
Le prove sperimentali sono state eseguite adoperando lo scuotitore portatile
comunemente adoperato in Italia SC800 della Cifarelli mostrato in figura 1, le cui
caratteristiche tecniche sono riportate in tabella1.
Figura 1. Scuotitore per la raccolta agevolata delle olive Cifarelli SC800.
La macchina è dotata di un sistema anti-vibrazione brevettato posto sulle
impugnature che le isola dall’asta, dal motore e dalla scatola del cambio. Gli elementi
elastici interposti tra i mezzi di presa e il corpo di sostegno, compensano le forze di
reazione trasmesse parallelamente all'asse dell’albero mobile, consentendo un uso
prolungato dello scuotitore senza compromettere il confort dell’operatore.
Motore
Cifarelli C5
Cilindrata [cm 3 ] 52
N° tempi [n] 2
Raffreddamento
ad aria
Capacità del serbatoio [l] 1.7
Peso (a serbatoio pieno) [kg] 18.0
Lunghezza escluso l’asta[mm] 1050
Rapporto lunghezza asta/lunghezza totale 0.66
Lunghezza dell’asta [mm] 2000
Corsa dell’asta [mm] 60.2
Larghezza del gancio [mm] 40.5
Tabella 1. Caratteristiche tecniche della macchina Cifarelli SC800.

P. Catania, M. Vallone, G. Aiello, G. La Scalia
Particolare attenzione è stata utilizzata posta nel processo di fissaggio degli
accelerometri sulle impugnature principale ed ausiliaria, in modo da avere ogni asse
orientato secondo le direzioni imposte dalle disposizioni della UNI EN ISO 5349-1
(sistema di coordinate basicentrico): asse y h parallelo alla asse dell’impugnatura, asse x h
perpendicolare all'asse dell’impugnatura orientato con la parte posteriore verso il palmo
della mano ed infine asse z h perpendicolare al piano formato dai due assi precedenti,
come mostrato in figura 2.
Figura 2. Posizionamento dell’accelerometro e direzioni.
Per le misure pratiche, l'orientamento del sistema di coordinate può essere definito
con riferimento ad un adeguato sistema di coordinate basicentriche avente origine nella
impugnatura vibrante stretta dalla mano dell’operatore.
Le prove di vibrazione sono state eseguite in laboratorio in maniera tale da simulare
le reali condizioni operative adoperando un ramo artificiale costituito da una barra di
legno avente una estremità fissata ad una struttura solida e l’altra libera di oscillare.
L’analisi in frequenza sui test di laboratorio è stata eseguita nel range 0-1250 Hz.
Le prove di laboratorio hanno mostrato che l'asse X della impugnatura principale era
caratterizzato dai livelli più significativi delle vibrazioni, sebbene le stesse
considerazioni sulla analisi dello spettro possano essere fatte per tutti gli altri assi e
misure. La prima armonica appare a 15-25 Hz, come la componente principale delle
vibrazioni, e corrisponde alla oscillazione dell’asta che si verifica al valore massimo di
1500 battute / min (25 Hz), come dichiarato dal costruttore.
L'analisi di tutto lo spettro ha permesso di concludere che il range di vibrazioni in
cui si verificano i fenomeni di vibrazione più rischiosi è 0-50 Hz. E' stato anche
esaminato il contributo delle vibrazioni oltre 100 Hz; esse sono effettivamente
trascurabili per il rischio di sicurezza secondo la curva di ponderazione della norma
ISO. I risultati sono coerenti con quelli ottenuti da altri autori (Pascuzzi et al., 2009).
Il sistema proposto è basato sulla tecnologia dei sistemi microelettromeccanici
(MEMS) e prevede la progettazione di una unità compatta indossabile da apporre alla
vita dell’operatore e una stazione fissa per l'archiviazione e l'analisi dei dati misurati.
Il sensore indossabile è stato progettato tenendo conto che l'unità deve essere
leggera, di limitato ingombro e compatto il più possibile, al fine di non ostacolare le
operazioni ed i movimenti dell’operatore (figura 3). In base a tali specifiche scelto
l’accelerometro triassiale Freescale MMA7455, basato sulla tecnologia dei sistemi
microelettromeccanici (MEMS).
Particolare attenzione è stata posta durante il processo di fissaggio degli
accelerometri sull’impugnatura principale e su quella ausiliaria, in modo da avere
ciascun orientato secondo la direzione imposta dalla UNI EN ISO 5349-1 (2004). Ogni

Un sistema innovativo per la misura in tempo reale delle vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio da
scuotitori portatili per la raccolta agevolata delle olive
prova consisteva in 3 repliche di 40 secondi con una frequenza di polling di 120 Hz.
I dati raccolti mediante il sensore precedentemente descritto sono stati inseriti in un
microcontrollore e campionati tramite un convertitore analogico digitale.
Figura 3. Sistema indossato dall’operatore.
I dati di accelerazione sono stati elaborati in tempo reale al fine di valutare il rischio
al quale è esposto l’operatore, secondo le linee guida per la misurazione e valutazione
dell'esposizione dell’uomo alle vibrazioni riportate nelle norme ISO 5349-1 e ISO
5.349-2. Nella norma ISO 5349, la grandezza più importante adoperata per descrivere
l'entità delle vibrazioni trasmesse alla mano dell'operatore è il valore quadratico medio
dell’accelerazione (rms) ponderata in frequenza, espressa in m / s². Secondo tali linee
guida, lo spettro delle vibrazioni devono essere estratti dai dati grezzi di accelerazione
attraverso la trasformata veloce di Fourier (FFT) e analizzati in 1/3 di banda di ottava.
Successivamente, al fine di determinare l'effetto delle vibrazioni sul corpo umano
l'intensità rms in ogni banda deve essere moltiplicata per un fattore di ponderazione
adeguato. La valutazione dell'esposizione alle vibrazioni in conformità con la ISO 5349
è, infine, basata su di una quantità che combina tutti e tre gli assi. Questa è il valore di
vibrazione totale a hw o somma ponderata dell’accelerazione (WAS) ed è definita come il
valore quadratico medio delle tre componenti:
dove a hwx , a hwy , a hwz sono i valori di accelerazione ponderata in frequenza per i tre assi.
L'esposizione alle vibrazioni dipende dall’entità del valore della vibrazione totale e dalla
durata dell'esposizione. La durata dell'esposizione giornaliera è il tempo complessivo
per il quale le mani sono esposte a vibrazioni durante la giornata di lavoro.
3 RISULTATI E DISCUSSIONE
Le prove sperimentali sono state effettuate impiegando lo scuotitore per la raccolta
agevolata delle olive precedentemente descritto. L'analisi sperimentale ha riguardato
l'acquisizione in tempo reale e l'elaborazione dei dati di accelerazione raccolti mediante
il dispositivo di controllo sviluppato, mentre la macchina veniva impiegata in campo da
un operatore.
Lo spettro FFT relativo agli assi X, Y e Z ottenuto nel corso delle prove sperimentali
per entrambe le mani è riportato in figura 4. Le misure dimostrano che l'accelerazione di

P. Catania, M. Vallone, G. Aiello, G. La Scalia
vibrazione lungo l'asse X è più importante rispetto alle altre due direzioni. Con
riferimento alla mano sinistra, il picco dell’accelerazione è stato di circa 25 m/s 2 alla
frequenza di 11 Hz. La stessa armonica può essere distinta nelle direzioni y e z.
Considerazioni differenti possono essere effettuate circa la mano destra, dove ancora
una volta gli spettri FFT mostrano lo stesso picco lungo l’asse X ed un livello di
vibrazione più basso sugli altri due assi. In particolare la vibrazione sull'asse Z della
mano destra è significativamente più bassa delle altre.
Mano sinistra
Mano destra
Figura 4. Spettri della vibrazione nelle direzioni x, y e z per entrambe le mani.
Il livello di vibrazione ponderata per ciascun asse a hw , è mostrato in figura 5.

Un sistema innovativo per la misura in tempo reale delle vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio da
scuotitori portatili per la raccolta agevolata delle olive
Figura 5. Valori ahw (x,y,z,) values for both hands.
Infine il confronto con le prove di laboratorio mostra l’approssimazione del
dispositivo wireless rispetto a strumenti di laboratorio più precisi; sebbene le prove
sperimentali in genere portano a sottovalutare l'esposizione alle vibrazioni (fig.6),
l'errore è in genere inferiore al 10%, dimostrando così un compromesso abbastanza
accettabile tra prestazioni e semplicità d'uso.
Figura 6. Confronto dei valori di a hw ottenuti in campo ed in laboratorio per entrambe le mani.
4 CONCLUSIONI
L'obiettivo principale di questa ricerca era quello di dimostrare che le nuove
tecnologie sono abbastanza mature per sviluppare dispositivi a basso costo e poco
onerosi per la valutazione del rischio vibrazioni in agricoltura, con particolare
riferimento all'uso di scuotitori portatili per la raccolta agevolata delle olive. La ricerca
ha riguardato lo sviluppo di un nuovo dispositivo per la valutazione del rischio per la
salute dell’operatore causato dalle vibrazioni al sistema mano-braccio nelle reali
condizioni operative.
Le prove sperimentali di campo hanno dimostrato l'efficacia della ricerca proposta
nel valutare i rischi di esposizione dei lavoratori durante le operazioni di raccolta. I
risultati ottenuti mostrano come un hardware semplice e poco costoso può portare a una
valutazione abbastanza precisa del profilo di rischio, fornendo così informazioni
significative per la gestione in sicurezza dei turni di lavoro e per il miglioramento della
pianificazione e gestione delle risorse.
Lo studio qui presentato potrà certamente essere integrato ed approfondito da
ulteriori indagini ed apre nuovi scenari sui sistemi intelligenti di gestione della sicurezza
dei lavoratori.

P. Catania, M. Vallone, G. Aiello, G. La Scalia
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